Pep 8 2549 Plastic-5

มหัศจรรย “พลาสติก” (ตอนที่ 5) ดร. อรสา ออนจันทร คําสําคัญ

พลาสติก พอลิเมอร

การเกิดพลาสติก (Polymerization)

รูปที่ 1 ภาพโมเดลของสายโซพอลิเมอร แทจริงแลวพลาสติกเกิดจากกระบวนการที่ทําใหโมเลกุลขนาดเล็กมาตอรวมกันจนมีขนาดเล็กมา ตอรวมกันเขาจนมีขนาดใหญขึ้น (เปรียบเสมือนการนําลูกปดมาเรียงรอยใหเปนสายสรอย) ซึ่งเรียกวา การ เกิดพอลิเมอร (Polymerization) ซึ่งจะแตกตางกันไปตามชนิดของพลาสติก แตมักตองอาศัยความดันสูง และใชตัวเรงปฏิกิริยา (Catalyst) กระตุนใหโมเลกุลขนาดเล็กมายึดตอเขาดวยกัน

1

รูปที่ 2 ปฏิกิรยิ าพอลิเมอรไรเซชัน ปฏิกิริยาพอลิเมอรไรเซชัน (Polymerization reaction) แบงออกไดเปน 2 แบบ ดังนี้ คือ 1. ปฏิกิริยาพอลิเมอรไรเซชันแบบเติม (Addition polymerization reaction) เปนการที่มอนอเมอรทุกหนวย มาตอกันเปนสายโซพอลิเมอรโดยไมมีสิ่งใดหลุดออกมา

ตัวอยาง เชน การพอลิเมอรไรเซชันของพอลิเอทิลีน

2

2. ปฏิกิริยาพอลิเมอรไรเซชันแบบควบแนน (Condensation polymerization reaction) เปนการที่มอนอ เมอรตางชนิดกันมีหมูฟ งกชนั ตางชนิดกันตอกันเปนพอลิเมอรโมเลกุลใหญและมีโมเลกุลเล็กอื่นหลุด ออกมาดวย

ตัวอยาง เชน การพอลิเมอรไรเซชันของพอลิเอสเทอร

อะตอมคารบอนและไฮโดรเจน ซึ่งเปนองคประกอบพื้นฐานของพลาสติกทุกชนิดนั้นไดมาจาก น้ํ า มั น ดิ บ ซึ่ ง ประกอบด ว ยไฮโดรคาร บ อน (โมเลกุ ล ของไฮโดรเจนและคาร บ อนมารวมกั น ) สาร ไฮโดรคาร บ อนมี ตั้ ง แต ช นิ ด โมเลกุ ล ไม ซั บ ซ อน เช น ก า ซมี เ ธน ประกอบด ว ยคาร บ อน 1 อะตอมกั บ ไฮโดรเจน 4 อะตอม จนถึงน้ํามันดินและยางมะตอย ซึ่งโมเลกุลประกอบดวยหลายรอยอะตอม ดังแสดงในแผนผังขางลางนี้ปโตรเลียมที่ขุดขึ้นมาได ทั้งน้ํามันดิบและกาซธรรมชาติจะถูกสงเขา โรงกลั่นน้ํามันดิบและโรงแยกกาซ กระบวนการนี้สามารถสกัดไฮโดรคารบอนออกมาไดเปนสวนตางๆ มากมายหลายรอยชนิดทีเดียว ซึ่งแนนอนที่สุดรวมไปถึงน้ํามันที่ใชกับรถยนตดวย จากสวนตางๆ ทั้งหมดนี้ กาซอีเทนและกาซโพรเพนเปนสองวัตถุดิบเริ่มตนหลักในการผลิตพลาสติก จากนั้นจะถูกสงตอไปเขาเครื่อง แครกเกอร (cracker) ที่ใชความรอนสูงเพื่อเปลี่ยนใหอยูในรูปของกาซเอทิลีนและกาซโพรพิลีน กาซทั้งสอง นี้จะถูกสงตอไปยังถังปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อผลิตเปนพอลิเมอรในรูปเบื้องตน เชน เปนผง (powder) หรือ เม็ด (pellet) พอลิเมอรที่ไดจากขั้นตอนนี้สามารถนําไปใสตัวเติมตางๆ เชน สี สารปองกันรังสียูวี และ นําไปขึ้นรูปตามที่ตองการโดยกระบวนการขึ้นรูปที่เหมาะสม

3

รูปที่ 3 การผลิตพลาสติกจากน้าํ มันและกาซธรรมชาติ กาซอีเทน (โมเลกุลประกอบดวยคารบอน 2 อะตอมกับไฮโดรเจน 6 อะตอม) ถูกเปลี่ยนใหเปน กาซเอทิลีน เมื่อผานการเกิดพอลิเมอร จะไดพลาสติกที่เรียกวา พอลิเอทิลีน หรือ PE ซึ่งแบงเปน ประเภท หลัก ชนิดแรกคือ พอลิเอทิลีนความหนาแนนต่ํา หรือ Low Density Polyethylene (LDPE) พลาสติกชนิดนี้ นิยมใชทําถุงเย็น ถุงซิป ดอกไมพลาสติก หลอดยาสีฟน และฟลมหอรัดรูป เปนตน เนื่องจากมีราคาถูกและ มีความยืดหยุน เหนียวและแข็งแรงพอสมควร และอีกชนิดคือ พอลิเอทิลีนความหนาแนนสูง หรือ High Density Polyethylene (HDPE) เนื่องจากมีสมบัติแข็ง เหนียว ทนตอสารเคมี และมีคาการแพรผานของ กาซต่ํา จึงมักนํามาใชทําขวดน้ํา ขวดนม ขวดยาสระผม ของเลนเด็ก ภาชนะบรรจุเครื่องสําอาง ฉนวนหุม สายไฟ และสายเคเบิ้ล

4

สวนกาซโพรเพนก็จะรวมกันเปนพลาสติกที่เรียกวา พอลิโพรพิลีน (PP) ไดในทํานองเดียวกัน PP เปนพลาสติกประเภทเทอรโมพลาสติกที่เบาที่สุด มีสมบัติเชิงกลดีมาก เหนียว ทนตอแรงดึง แรงกระแทก และทรงตัวดี มีจุดหลอมตัวที่ 165 °C ไอน้ําและออกซิเจนซึมผานไดต่ํา เปนฉนวนไฟฟาที่ดีมาก มีการ นําเอา PP ไปใชงานในลักษณะเดียวกับ PE เมื่อตองการใหมีคุณสมบัติที่ดีขึ้น PP ไดถูกนําไปใชงาน อยางกวางขวาง ตัวอยางเชน ใชทําถุงรอน ฟลมใส ฟลมหอหุม หรือบรรจุอาหารที่ไมตองการใหออกซิเจน ซึมผาน พลาสติกหุมซองบุหรี่ โตะ เกาอี้หรือตะกราพลาสติกรูปแบบตางๆ และภาชนะเครื่องใชในครัวเรือน รวมถึงกลองสําหรับใชกับไมโครเวฟอีกดวย

พลาสติกอีกชนิดที่เรียกวาพีวีซี (PVC ยอมาจากพอลิไวนิลคลอไรด) นั้นมีองคประกอบทางเคมี คลายกับพอลิธีน ตางกันแตอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ดวยอะตอมของคลอรีน พีวีซีเปนเทอรโม พลาสติกที่มีการใชงานอยางกวางขวาง มีคุณสมบัติที่สําคัญคือ เมื่อติดไฟจะดับไดดวยตัวเอง ทนตอน้ํา น้ํามัน กรด ดาง แอลกอฮอล และสารเคมีตางๆ ยกเวนคลอรีน ทนตอการขัดถู เปนฉนวนไฟฟาที่ดี และ 5

เนื่องจาก PVC มีคุณสมบัติแข็งแตเปราะ และสลายตัวไดงายเมื่อสัมผัสกับความรอน และแสงแดด ดังนั้น จึงมักนํา PVC ไปเติมสารเติมแตงตางๆ กอน เชน stabilizer และ plasticizer (เติมเพื่อใหนิ่มลง) เปนตน ตัว อย า งการใช งาน เชน ใช ทําท อ ขอตอ ฉนวนหุมสายไฟ สายเคเบิ้ล แผน พลาสติ ก ฟ ลม หนั งเทีย ม รองเทา บัตรเครดิต อุปกรณรถยนต ขวดพลาสติก ของเด็กเลน

พลาสติกพีวีซีมีคุณสมบัติ “ทนไฟ” จึงปลอดภัยที่จะนํามาทําผลิตภัณฑในบาน แตจะใสอะตอม ของฟลูออรีน 4 อะตอมแทนที่จะเปนอะตอมของคลอรีน ก็จะไดสารที่เรียกวา พีทีเอฟอี(PTFE ) ยอมา จากพอลิเททระฟลูออโรเอธิลีน หรือที่รูจักทั่วไปวา “เทฟลอน” (TEFLON) ที่ใชเคลือบหมอและกระทะกัน ติด ตลอดจนลูกปนของเครื่องจักรกล เทฟลอนมีคุณสมบัติพิเศษที่เดนมากคือ สามารถทนทานตอความ รอนไดดีเยี่ยม โดยที่คุณสมบัติทางกายภาพเชิงกล และไฟฟาไมเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิประมาณ 300 °C เปนเวลาแรมเดือน มีความเหนียว ขณะเดียวกันก็ยืดหยุนไดที่อุณหภูมิต่ํา เปนฉนวนไฟฟาที่ดีเยี่ยม เฉื่อย ตอสารเคมี และไมสามารถละลายไดเลยในตัวทําละลายใดๆ และเนื่องจาก PTFE มีราคาคอนขางแพง การ ใชงานจึงจํากัดเฉพาะงานที่ตองการความเหนียว สมบัติทางไฟฟา และสมบัติความทนทานตอความรอน เปนพิเศษเทานั้น

6

พอลิสไตรีน (Polystyrene, PS) เปนโพลิเมอรที่จัดเปนพวกเทอรโมพลาสติกที่มีการจัดเรียงตัวอยู ในรูปของโพลิเมอรอสัณฐาน (amorphous) จึงมีลักษณะโปรงแสงและใส นอกจากนี้ PS ยังมีคุณสมบัติ เดนๆ อีกคือ มีความแข็งมาก ไมยืดหยุน และเปราะ ไมดูดความชื้นและน้ํา ไมมีรส ไมมีกลิ่น เปน ฉนวนไฟฟา มีอุณหภูมิกลาสทรานซิชั่น (Tg) ประมาณ 100 C จึงทนความรอนไดต่ําถาสัมผัสกับแสงแดด ที่อุณหภูมิสูงเปนเวลานานๆ อาจเปลี่ยนเปนสีเหลืองและเกิดรอยแตกได เฉื่อยตอสารเคมี ทนตอกรดแก และเบสแก กันการซึมผานของกาซไดดี อีกทั้งยังขึ้นรูปแบบตางๆ ไดงายอีกดวย PS ไดถูกนําไปใชงาน อยางกวางขวาง เชน ใชทําอุปกรณเครื่องเขียน เครื่องประดับ สนรองเทา ตลับเครื่องสําอาง ภาชนะ และขวดบรรจุอาหาร เครื่องสุขภัณฑ ฝาครอบหลอดไฟหนารถยนต ตลับเทป หมวกกันน็อค นอกจากนี้ PS ยังไดถูกผลิตออกมาในรูปของโฟมที่เรียกกันวา EPS ซึ่งยอมาจากExpanded polystyrene อีกดวย โฟมโพลิสไตรีน เปนโพลิสไตรีนที่เติมกาซเพนเทน ใชทําภาชนะบรรจุอาหารฟาสตฟูด วัสดุกันกระเทือนใน หีบหอ นิยมนําไปใชในงานดานฉนวนกันความรอน เชน ใชเปนสารบุภายในตูเย็น

พลาสติกอีกชนิดที่เราคุนเคยกันและไดยินติดหูกันก็คือ “ขวดเพท” ที่ทํามาจากพลาสติกประเภท “เพท” (PET) ซึ่งยอมาจาก พอลิเอทิลีน เทเรฟทาเลท (Polyethylene terephthalate) เปนพอลิเอสเตอร เชิงเสนตรงที่อิ่มตัวที่สําคัญที่สุด ซึ่งมีลักษณะใส เหนียว ไมเปราะแตกงายจึงนิยมนํามาใชในงานเกี่ยวกับ อาหาร และยา ขวดเพทนี้จะใสเหนียว ไมแตกงายๆ ทนตอความดันกาซไดสูง ทั้งยังผาน FDA (คณะ กรรมการอาหารและยา) เรียบรอยแลว ใชบรรจุน้ําอัดลม น้ําดื่ม บรรจุอาหาร สุรา ยา เครื่องสําอาง ใน รูปของจาน ชาม สามารถแชตูเย็น อุนในหมอน้ําเดือด จนถึงเสริฟบนโตะอาหารไดเลย 7

อยางไรก็ดีแมวาพลาสติกจะเปนผลิตภัณฑที่มีคุณสมบัติหลากหลาย แตความสวยงามเมื่อเทียบ กับภาชนะและบรรจุภัณฑตางๆ ที่ผลิตจากแกวก็ดอยกวามาก จึงไดมีการพัฒนาพลาสติกชนิดพอลิ คารบอเนต (Polycarbonate, PC) และ พอลิเมทิลเมตราอไครเลท (Polymethyl methacrylate, PMMA) แมความงามของพลาสติก 2 ชนิดนี้จะยังไมเทียบเทาแกวแตรวมคุณสมบัติ “ตกไมแตก” ก็นาจะเปนอีก ทางเลือกที่นาสน PC เปนพอลิเมอรในตระกูลพอลิเอสเทอร ถูกจัดอยูในกลุมพลาสติกวิศวกรรม ที่โปรงใส แข็ง เหนียว ทนความรอน ทนทานตอกรดแตไมทนดาง ทนแรงกระแทกและรอยขีดขวนไดดี ใชทําขวดนมเด็ก ถวยชาม สวนประกอบรถยนต กระจกหนาหมวกนักบิน แวนตานิรภัย เลนสกลองถายภาพ หลังคาโปรง แสง เครื่องปองกันอัคคีภัย ใชเปนสวนประกอบของอุปกรณทางการแพทยที่ตองฆาเชื้อโรคดวยความรอน PMMA เปนพอลิเมอรที่ใส ไมมีสี สามารถใหแสงสองผานไดถึง 92% มีความแข็งแกรง และ ทนทานตอดินฟาอากาศไดดีกวาพอลิสไตรีน สมบัติเชิงกล และความคงทนตอความรอนดีมาก สวนสมบัติ การเปนฉนวนไฟฟาดีปานกลาง เนื่องจากสมบัติเดนของ PMMA คือ ความโปรงใส และการนําไปยอมสีได งาย จึงถูกนําไปใชเปนสวนประกอบของเครื่องใชไฟฟา และสวนประกอบรถยนต เชน ไฟเลี้ยว ไฟทาย กระจกรถยนต หนาปดเข็มไมล ประโยชนการใชงานอื่นๆ เชน ปายโฆษณา แวนตา เลนส ใชทํา กระจกแทนแกว หลังคาโปรงแสง กอกน้ํา เครื่องสุขภัณฑ เครื่องประดับ เปนตน ยังมีพอลิเมอรอีกชนิดที่เราคุนเคยในดานความงามนั่นคือ “ซิลิโคน” ซึ่งเราๆ อาจจะรูจักในฐานะ วัสดุเสริมขนาดหนาอกหรือเสริมจมูกในการศัลยกรรมความงาม แตซิลิโคนยังใชในการผลิตเปนจุกนม สําหรับเด็ก แผนเจลรักษาแผลเปนที่ปูดนูน กาวซิลิโคน ฉนวนหุมสายไฟและสายยางได สําหรับผูคิดคน

8

ซิลิโคนคือ ดร.ยูจีน จอรจ โรเชาว (Dr.Eugene George Rochow) ซึ่งผลิตซิลิโคนขึ้นครั้งแรกใน ค.ศ. 1943

จากขางตนจะเห็นไดวา พลาสติกมีประโยชนมากจนกลาวไมหมดจริงๆ จนมีคาํ พูดทีน่ าประทับใน วา “Plastics Make It Possible” ซึ่งจะเห็นไดจากรูปขางลางนี้ (อยางที่เขาวากันวา รูปภาพสามารถแทน ลานคําพูด ใชไหมคะ?)

9

รูปที่ 4 ประโยชนของพลาสติก

10

เอกสารอางอิง 1. http://www.teachingplastics.org/hands_on_plastics/intro_to_plastics/teachers.html 2. http://www.plastiquarian.com 3. http://www.mtec.or.th/th/news/q_a/qa41.html 4. http://www.plasticsmakeitpossible.org 5. http://www.scienceandsociety.co.uk/results.asp?txtkeys1=French

โครงการฟสกิ สและวิศวกรรม โทร 0 2201 7161 e-mail [email protected] 1 สิงหาคม 2549

11